Microscope sans fil de 1 gramme : 8 500 neurones chez la souris

Une souris court, grimpe et interagit avec ses congénères, et les scientifiques qui observent son cerveau travaillent jusqu'ici avec un câble ou une tête immobilisée. Cette contrainte a façonné ce que les neurosciences pouvaient observer. Une équipe de l'université Tsinghua et de l'école de médecine de l'Armée populaire de libération chinoise a conçu un microscope sans fil qui laisse l'animal se déplacer beaucoup plus librement. Baptisé Airscope, l'appareil pèse 1 gramme sans sa batterie, et dans un article publié dans Nature, les chercheurs indiquent qu'il peut imager plus de 8 500 neurones dans le cortex de la souris, la couche externe du cerveau.

Pour comprendre pourquoi le poids compte, il est utile de savoir comment fonctionnent ces instruments. L'imagerie calcique suit les neurones grâce à un signal fluorescent qui s'intensifie lorsqu'une cellule s'active. Un microscope capable de voir de nombreuses cellules à la fois peut donc montrer comment des groupes de neurones se comportent pendant une action. Les microscopes classiques de ce type, montés sur la tête, pèsent généralement plus de 3 grammes, et les versions sans fil antérieures étaient trop lourdes et offraient une vue plus restreinte. Airscope associe un capteur de 2 mégapixels à seulement quatre lentilles asphériques, une configuration qui, selon les chercheurs, rend l'appareil 2,84 fois plus court que les microscopes miniaturisés précédents, tout en atteignant le même nombre de neurones observés que les mésoscopes de paillasse. Il imagerie à une résolution cellulaire, d'environ 4 micromètres, sur un champ de vision de 6 millimètres (0,24 pouce, soit 0,61 cm) à 12,5 images par seconde. La compression des données lui permet d'envoyer sans fil des images de plusieurs mégapixels, et une batterie fixée magnétiquement, qu'on peut remplacer, permet des enregistrements longs.

L'équipe a testé l'appareil sur des souris vivant dans un habitat d'environ 5 mètres carrés (54 pieds carrés, soit 5 m²) et dans un grand labyrinthe comportant 32 bras terminaux. Selon Wu Jiamin, de Tsinghua, l'activité corticale变化 de façon systématique selon le terrain traversé par les souris. Dans d'autres expériences décrites dans l'article, les schémas d'activité du cortex dorsal sont corrélés à des signes comportementaux de domination sociale, et l'activité de la population de neurones permet de prédire lequel de deux souris remportera une compétition. En utilisant deux Airscope sur un même animal, les chercheurs ont enregistré ensemble le cerveau et la moelle épinière pendant un conditionnement de la peur, et ont caractérisé l'influence de la moelle épinière sur le cortex. Zhang Yuanlong, professeur adjoint à Tsinghua, explique que l'appareil laisse les animaux bouger plus librement, de sorte que les enregistrements à grande échelle peuvent accompagner un éventail plus large de comportements naturels.

Pour les neuroscientifiques, le gain est la possibilité d'enregistrer de grandes populations de neurones chez des animaux qui font autre chose que rester immobiles. Les auteurs de l'article affirment que les enregistrements restent stables sur la même zone pendant plus de 200 jours, avec une qualité de signal comparable à celle d'un microscope de paillasse classique. Les limites sont réelles : tous les résultats décrits jusqu'ici proviennent de souris. Dai Qionghai, auteur correspondant de l'article, a déclaré que l'appareil pourrait à terme être étendu à l'immunologie et à l'oncologie, permettant de suivre la progression de maladies, mais il s'agit d'une piste que l'équipe a évoquée, et non d'un résultat qu'elle a démontré.

Pour l'instant, les premiers bénéficiaires sont les groupes de recherche qui étudient comment les comportements émergent de l'activité neuronale. Airscope leur offre un moyen d'enregistrer le cerveau dans des conditions naturelles, là où les outils précédents imposaient de choisir entre précision et mouvement. La prochaine étape consistera à savoir si d'autres laboratoires peuvent reproduire ces enregistrements, et la version de Nature, encore une publication en ligne préliminaire, reste le document de référence jusqu'à la publication définitive.